JP4844114B2 - Method for manufacturing liquid discharge head and liquid discharge head - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法及びこれにより製造された液体吐出ヘッドに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid discharge head and a liquid discharge head manufactured thereby.
インクジェット記録方式は、ノンインパクト記録方式の1つであり、高速記録が可能であると共に、種々の記録媒体に対して記録が可能であり、しかも、高精細な画像が得られる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピュータの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、写真、各種印刷、産業用高精細パターニング等の記録手段として近年用途を拡大しながら急速に普及している。 The ink jet recording system is one of non-impact recording systems, which can perform high-speed recording and can record on various recording media, and can obtain high-definition images. Because of these advantages, the inkjet recording system has been rapidly spread while expanding its use in recent years as a recording means for copying machines, photographs, various printing, industrial high-definition patterning as well as printers as peripheral devices for computers. ing.
このよう記録ヘッドには、インク等液体を飛翔させるためのノズルと、このノズルに連通する圧力発生室のインク等液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー発生手段とを備えている。そして、エネルギー発生手段として電気機械変換素子である圧電素子(ピエゾ素子)を用いた液体吐出ヘッドは、圧電素子が発生した圧力波の伝搬によってノズル先端のメニスカスを制御して液滴を吐出させるもので、このような圧電素子の機械エネルギーを液体に伝搬させる振動板を備えている。 Such a recording head is provided with a nozzle for causing a liquid such as ink to fly and an energy generating means for applying energy for discharging to the liquid such as an ink in a pressure generating chamber communicating with the nozzle. A liquid discharge head using a piezoelectric element (piezo element), which is an electromechanical conversion element as energy generating means, controls the meniscus of the nozzle tip by the propagation of pressure waves generated by the piezoelectric element and discharges a droplet. Thus, a diaphragm for propagating the mechanical energy of such a piezoelectric element to the liquid is provided.
この振動板は、振動板上に電気機械変換素子を配置して振動板を変形させる場合、その厚みが薄ければ薄い程、変形量を容易に大きくすることができる。よって、振動板を効率的に変形させて、効率良くインクを吐出できるようにするために、振動板はできるだけ薄くするのが好ましいとされている。 When the diaphragm is deformed by disposing the electromechanical conversion element on the diaphragm, the amount of deformation can be easily increased as the thickness of the diaphragm decreases. Therefore, it is preferable to make the diaphragm as thin as possible so that the diaphragm can be efficiently deformed and ink can be ejected efficiently.
また、振動板の厚みは均一であることが要求されている。例えば複数のノズルを有し振動板の厚みが均一でない場合、各ノズルが備えている振動板の変形量にムラが発生することで吐出されるインク滴が均一でなくなり、記録品質が低下することになる。 Moreover, the thickness of the diaphragm is required to be uniform. For example, if there are multiple nozzles and the diaphragm thickness is not uniform, unevenness in the amount of deformation of the diaphragm provided in each nozzle will cause uneven ink droplets to be ejected, resulting in poor recording quality. become.
しかし、振動板の厚みは、取り扱い上や要求されるその厚みの均一性から要求が十分に満たされていないのが現状となっている。 However, the present situation is that the thickness of the diaphragm is not sufficiently satisfied in terms of handling and required uniformity of the thickness.
この様な振動板に関して知られている例として以下がある。 Known examples of such diaphragms include:
まず最初の例とする吐出ヘッドは、インク流路を構成する圧力発生室とインク供給路とノズル開口とが一体形成されたシリコン単結晶基板からなるボディプレートと、シリコン単結晶基板と実質的に熱膨張係数が等しい金属材料の表面にシリコン化合物が形成された振動板とを備え、ボディプレートと、振動板のシリコン化合物形成面とが接着層を介さずに接合されている(例えば、特許文献1参照)。 First, an ejection head as an example includes a body plate composed of a silicon single crystal substrate in which a pressure generation chamber, an ink supply channel, and a nozzle opening constituting an ink channel are integrally formed, and a silicon single crystal substrate. A vibration plate in which a silicon compound is formed on the surface of a metal material having the same thermal expansion coefficient is provided, and the body plate and the silicon compound forming surface of the vibration plate are joined without an adhesive layer (for example, Patent Documents) 1).
次の例とする吐出ヘッドは、圧力発生室およびノズルを備えたボディプレートと、ボディプレートに接合された石英振動板と、石英振動板上に積層された電極層および圧電膜を有する圧電素子とを備えており、石英振動板が、ボディプレートとの接合部に陽イオン層を有し、陽イオン層を介して前記ボディプレートに陽極接合されている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献1には、振動板として、厚み20μmから100μmのパイレックス(登録商標)ガラスやSi酸化物の薄膜が形成された42アロイ(Fe−Ni合金)が例として挙げられている。これらのガラスやアロイは、それらの厚みが非常に薄いことから、ボディプレートに貼り合わせるに際し、取り扱いが容易ではないことが十分に予想されるが、これに関する内容は記載されてない。 In Patent Document 1, as a diaphragm, Pyrex (registered trademark) glass having a thickness of 20 μm to 100 μm or 42 alloy (Fe—Ni alloy) in which a thin film of Si oxide is formed is cited as an example. Since these glasses and alloys are very thin, it is fully expected that they will not be easy to handle when they are bonded to the body plate, but the contents regarding this are not described.
また、特許文献2の従来技術においては、石英振動板は、圧力発生室およびノズルを備えたボディプレートに陽極接合された後、研磨により10μm以下に薄片化されている。よって、石英振動板を薄片化する研磨工程が必要とされる。この研磨工程において、研磨後の研磨粒子や研磨された石英粒子を含んだグリースの除去が必要となり、ノズル孔等から吐出ヘッド内部の流路への粒子の混入や、また圧力発生室部分は空洞となっていることから薄片化時に振動板が空洞方向に窪んでしまうことが予想される。従って、研磨粒子等の混入が無く均一な厚みの振動板を形成するためには、製造工程が煩雑であり困難を伴うことが十分に予想される。 In the prior art disclosed in Patent Document 2, the quartz diaphragm is anodically bonded to a body plate having a pressure generating chamber and a nozzle, and is then sliced to 10 μm or less by polishing. Therefore, a polishing process for thinning the quartz diaphragm is required. In this polishing process, it is necessary to remove the grease containing the polished abrasive particles and polished quartz particles, and the mixing of particles from the nozzle holes and the like into the flow path inside the discharge head, and the pressure generating chamber portion is hollow. Therefore, it is expected that the diaphragm will be depressed in the direction of the cavity when thinning. Therefore, in order to form a diaphragm having a uniform thickness without mixing abrasive particles or the like, it is sufficiently expected that the manufacturing process is complicated and difficult.
また、近年、基板等に直接パターニングが可能となるという大きな利点が生じることから、インクジェット記録方式を利用した産業用のパターニングの応用が広く考えられている。例えば、基板にパターニングする場合においては、着弾径が30μm以下とする高精細化が望まれており、これに応えるには、記録ヘッドから吐出されるインク液滴の液滴の直径を概ね15μm以下とする必要があるとされている。 In recent years, since a great advantage that patterning can be performed directly on a substrate or the like has occurred, industrial patterning applications using an ink jet recording method are widely considered. For example, in the case of patterning on a substrate, it is desired to increase the definition so that the landing diameter is 30 μm or less. To meet this demand, the diameter of the ink droplets ejected from the recording head is approximately 15 μm or less. It is said that it is necessary.
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ボディプレートに、効率的で変形量のバラツキが少なく変形可能とする厚みが薄くて均一な振動板を容易に設ける液体吐出ヘッドの製造方法を提供し、この製造方法により製造が容易で品質の安定した液体吐出ヘッドを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide a thin and uniform diaphragm that can be deformed efficiently and with little variation in deformation amount on the body plate. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a liquid discharge head that is easily provided, and to provide a liquid discharge head that is easy to manufacture and stable in quality by this manufacturing method.
上記の課題は、以下の構成により解決される。 Said subject is solved by the following structures.
1. 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する圧力室となる圧力室溝と、
前記圧力室溝を被う振動板と、
前記振動板の前記圧力室溝側と反対側の面に電気機械変換素子を有している液体吐出ヘッドの製造方法において、
表面形状が鏡面形状とされた保持基板の前記鏡面上に接して前記振動板となる膜を形成する膜形成工程と、
前記圧力室溝が形成されているボディプレートの前記圧力室溝が形成されている面と前記保持基板上の前記膜が形成されている面とを接合する接合工程と、
前記膜と前記保持基板とを引き離すことで前記膜から前記保持基板を剥がして分離して該保持基板を除去する除去工程とを有し、
前記保持基板が除去された後の前記膜上に前記電気機械変換素子を設けることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
1. A nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole;
A pressure chamber groove serving as a pressure chamber communicating with the nozzle;
A diaphragm covering the pressure chamber groove;
In the method of manufacturing a liquid ejection head having an electromechanical conversion element on the surface opposite to the pressure chamber groove side of the diaphragm,
A film forming step of the surface shape to form a film serving as the diaphragm in contact on the mirror surface of the holding substrate which is a mirror shape,
A bonding step of bonding a surface of the body plate in which the pressure chamber groove is formed with the surface on which the pressure chamber groove is formed and a surface on which the film on the holding substrate is formed;
Separated by peeling the supporting substrate from the film by separating the said holding substrate and the film have a a removal step of removing the holding substrate,
A method of manufacturing a liquid discharge head , comprising: providing the electromechanical conversion element on the film after the holding substrate is removed .
2. 前記膜形成工程は、前記保持基板の前記鏡面上に、前記振動板となる金属膜を形成することを特徴とする1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 2. 2. The method of manufacturing a liquid ejection head according to 1, wherein the film forming step forms a metal film serving as the vibration plate on the mirror surface of the holding substrate .
3. 前記膜形成工程は、前記保持基板の前記鏡面上に、前記振動板となるポリイミド樹脂からなる樹脂膜を形成することを特徴とする1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記膜形成工程は、前記保持基板の前記鏡面上に、前記振動板となる金属膜を形成し、
前記接合工程は、前記金属膜と前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成されている面との接合面のそれぞれにバフ研磨を行って表面粗さをRa<10nmとした後に、前記ボディプレートと前記保持基板との両研磨面を接触させて圧力をかけることにより両者を分子間接合することを特徴とする1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記保持基板の前記鏡面上には、前記膜の密着性を良くするための活性化処理が施されていないことを特徴とする1乃至4の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 2. The method of manufacturing a liquid discharge head according to 1, wherein the film forming step forms a resin film made of a polyimide resin serving as the vibration plate on the mirror surface of the holding substrate .
4). The film forming step forms a metal film to be the diaphragm on the mirror surface of the holding substrate,
The bonding step includes buffing each of the bonding surfaces of the metal film and the surface of the body plate where the pressure chamber grooves are formed to make the surface roughness Ra <10 nm. 2. The method of manufacturing a liquid discharge head according to 1, wherein both polishing surfaces of the holding substrate are brought into contact with each other and pressure is applied to bond both of them to each other.
5. 5. The method of manufacturing a liquid discharge head according to any one of claims 1 to 4, wherein an activation process for improving the adhesion of the film is not performed on the mirror surface of the holding substrate. .
6. 前記圧力室溝が形成されているボディプレートに前記ノズルが形成されていることを特徴とする1乃至5の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 6 . The method of manufacturing a liquid discharge head according to any one of 1 to 5 , wherein the nozzle is formed on a body plate in which the pressure chamber groove is formed.
7. 前記ノズルが形成されたノズルプレートと、前記圧力室溝が形成されたボディプレートとを接合する工程を有することを特徴とする1乃至6の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 7 . A nozzle plate in which the nozzles are formed, a manufacturing method of the liquid discharge head according to any one of 1 to 6, characterized in that it comprises a step of joining the body plate, wherein the pressure chamber groove is formed.
8. 前記ボディプレートは、Siから形成されていることを特徴とする1乃至7の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 8 . The method of manufacturing a liquid discharge head according to any one of 1 to 7 , wherein the body plate is made of Si.
9. 前記ノズルの吐出孔が存在する面に、SiO2層を設ける工程を有することを特徴とする1乃至8の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 9 . The method of manufacturing a liquid discharge head according to any one of 1 to 8 , further comprising a step of providing a SiO 2 layer on a surface where the discharge hole of the nozzle exists.
10. 前記ノズルプレートは、体積抵抗率が1015Ω・m以上のガラス又は樹脂から形成されていることを特徴とする7に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 10 . 8. The method of manufacturing a liquid discharge head according to 7 , wherein the nozzle plate is made of glass or resin having a volume resistivity of 10 15 Ω · m or more.
11. 前記ノズルの吐出孔が存在する最表面に撥液処理を行う工程を有することを特徴とする1乃至10の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 11 . The method for manufacturing a liquid discharge head according to any one of 1 to 10 , further comprising a step of performing a liquid repellent treatment on the outermost surface where the discharge holes of the nozzles are present.
12. 1乃至11の何れか一つに記載の製造方法で製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。 12 . A liquid discharge head manufactured by the manufacturing method according to any one of 1 to 11 .
13. 前記ノズル内の前記液体と前記吐出孔が存在する面に対向して設けられた基材との間に電界を形成し静電吸引力を発生するための静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする12に記載の液体吐出ヘッド。 13 . An electrostatic voltage applying means for generating an electrostatic attraction force by forming an electric field between the liquid in the nozzle and a substrate provided opposite to the surface on which the discharge hole exists; 13. The liquid discharge head according to 12 , wherein
請求項1及び10に記載の発明においては、取り扱いが困難と予想される薄い膜とする振動板であっても、振動板となる薄い膜は、保持基板にて保持されているため皺や破れといった様な破損することなく、ボディプレートの圧力室溝を被って容易に貼り付けが行われて圧力室を形成することができることから、振動板に設けられる電気機械変換素子の変形エネルギーが効率良く圧力室内の液体に伝達され、効率良く液滴を吐出することを可能とすることができる。従って、ボディプレートに、振動板を容易に設けることができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供し、この製造方法により品質の安定した液体吐出ヘッドを提供することができる。 In the inventions according to claims 1 and 10, even if the diaphragm is a thin film that is expected to be difficult to handle, the thin film that becomes the diaphragm is held by the holding substrate, so that it is wrinkled or broken. Since the pressure chamber can be easily formed by covering the pressure chamber groove of the body plate without being damaged, the deformation energy of the electromechanical transducer provided on the diaphragm is efficiently obtained. It is transmitted to the liquid in the pressure chamber, and the droplets can be efficiently discharged. Accordingly, it is possible to provide a method for manufacturing a liquid discharge head in which a vibration plate can be easily provided on the body plate, and to provide a liquid discharge head with stable quality by this manufacturing method.
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドの実施形態に関して、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a liquid discharge head according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は、本実施形態の一例とする液体吐出ヘッドA(断面図)を使用した液体吐出装置Sの全体構成を示す図である。なお、液体吐出ヘッドAは、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。 FIG. 6 is a diagram illustrating an overall configuration of a liquid ejection apparatus S that uses a liquid ejection head A (cross-sectional view) as an example of the present embodiment. The liquid discharge head A can be applied to various liquid discharge apparatuses such as a so-called serial method or line method.
液体吐出装置Sは、インク等の帯電可能な液体Lの液滴Dを吐出孔13から吐出するノズル10が形成された液体吐出ヘッドAと、動作制御手段Eと、液体吐出ヘッドAの吐出孔13を有する吐出面12に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Dの着弾を受ける基材Kを支持する対向電極3とを備えている。 The liquid ejection apparatus S includes a liquid ejection head A in which a nozzle 10 that ejects a droplet D of a chargeable liquid L such as ink from an ejection hole 13 is formed, an operation control unit E, and an ejection hole of the liquid ejection head A. And a counter electrode 3 that supports a base member K that receives the landing of the droplet D on the counter surface.
液体吐出ヘッドAの対向電極3に対向する側には、複数のノズル10及びこれらノズルそれぞれに連通する薄板1が貼り合わせられてなる圧力室24を有するボディプレート2が設けられている。ボディプレート2は微細な形状を形成しやすいSiを用いるのが好ましい。また、液体吐出ヘッドAは、対向電極3に対向する吐出面12からノズル10が突出されない、或いはノズル10が30μm程度しか突出しないフラットな吐出面12を有している。また、ノズル10の吐出孔13は、断面形状が円に形成される代わりに、断面形状が多角形や星形等であってもよい。尚、断面形状が円でない場合の直径とは、対象とする断面の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。また、吐出孔13の内部直径をノズル径という。 On the side facing the counter electrode 3 of the liquid discharge head A, a body plate 2 having a plurality of nozzles 10 and a pressure chamber 24 formed by laminating a thin plate 1 communicating with each of these nozzles is provided. The body plate 2 is preferably made of Si that can easily form a fine shape. The liquid discharge head A has a flat discharge surface 12 from which the nozzle 10 does not protrude from the discharge surface 12 facing the counter electrode 3 or from which the nozzle 10 protrudes only about 30 μm. Further, the discharge hole 13 of the nozzle 10 may have a polygonal shape, a star shape, or the like, instead of being formed into a circular cross-sectional shape. The diameter when the cross-sectional shape is not a circle is the diameter when the cross-sectional area of the target cross-section is replaced with a circle having the same area. The internal diameter of the discharge hole 13 is referred to as the nozzle diameter.
また、図6に示す液体吐出ヘッドAでは、ボディプレート2のノズル10の内周面17及びこれに続く圧力室24の底面18には、導電素材よりなるノズル内の液体Lを帯電させるための静電電圧印加手段である帯電用電極16を設けてある。また、各帯電用電極16は、図示しない配線により静電電圧電源63に接続されている。このように帯電用電極16を設けることで、帯電用電極16は、ボディプレート2のすべての圧力室24内部の液体Lに接触することになり、静電電圧電源63から帯電用電極16に静電電圧が印加されると、全てのノズル10内の液体Lが同時に帯電され、液体吐出ヘッド2と対向電極3との間、特に液体Lと基材Kとの間に静電吸引力が発生されるようにすることができる。 Further, in the liquid discharge head A shown in FIG. 6, the inner peripheral surface 17 of the nozzle 10 of the body plate 2 and the bottom surface 18 of the pressure chamber 24 subsequent thereto are charged with the liquid L in the nozzle made of a conductive material. A charging electrode 16 as an electrostatic voltage applying means is provided. Further, each charging electrode 16 is connected to an electrostatic voltage power source 63 by a wiring (not shown). By providing the charging electrode 16 in this way, the charging electrode 16 comes into contact with the liquid L inside all the pressure chambers 24 of the body plate 2, and the electrostatic voltage power source 63 applies static electricity to the charging electrode 16. When an electric voltage is applied, the liquid L in all the nozzles 10 is charged at the same time, and an electrostatic attraction force is generated between the liquid discharge head 2 and the counter electrode 3, particularly between the liquid L and the substrate K. Can be done.
また、圧力室溝を被って圧力室24とする薄板1は、金属又は樹脂からなり液体Lにメニスカスを形成するための振動板として機能するものであり、液体Lに圧力を生じさせる様に変形可能としている。 Further, the thin plate 1 that covers the pressure chamber groove and serves as the pressure chamber 24 is made of metal or resin and functions as a vibration plate for forming a meniscus in the liquid L, and is deformed so as to generate pressure in the liquid L. It is possible.
薄板1の各圧力室24と反対側の面には、それぞれ圧力発生手段としての電気機械変換素子として圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子22が設けられており、ピエゾ素子22には、このピエゾ素子22に駆動電圧を印加してピエゾ素子22を変形させるための駆動電圧電源61が接続されている。ピエゾ素子22は、駆動電圧電源61からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル10内の液体Lに圧力を生じさせてノズル10の吐出孔13に液体Lのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータを採用することも可能である。 On the surface of the thin plate 1 opposite to each pressure chamber 24, a piezoelectric element 22 that is a piezoelectric element actuator is provided as an electromechanical conversion element as a pressure generating unit, and the piezoelectric element 22 includes the piezoelectric element 22. A driving voltage power source 61 is connected to apply a driving voltage to the piezoelectric element 22 to deform it. The piezo element 22 is deformed by the application of the drive voltage from the drive voltage power supply 61 to generate a pressure on the liquid L in the nozzle 10 to form a meniscus of the liquid L in the discharge hole 13 of the nozzle 10. Yes. In addition to the piezoelectric element actuator as in this embodiment, for example, an electrostatic actuator can be adopted as the pressure generating means.
駆動電圧電源61および帯電用電極16に静電電圧を印加する静電電圧電源63は、それぞれ動作制御手段Eに接続されており、それぞれ動作制御手段Eによる制御を受けるようになっている。 The drive voltage power supply 61 and the electrostatic voltage power supply 63 for applying an electrostatic voltage to the charging electrode 16 are connected to the operation control means E, respectively, and are controlled by the operation control means E, respectively.
動作制御手段Eは、CPU51やROM52、RAM53等が図示しないBUSにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、CPU51は、ROM52に格納された電源制御プログラムに基づいて静電電圧電源63および各駆動電圧電源61を駆動させてノズル10の吐出孔13から液体Lを吐出させるようになっている。 The operation control means E is composed of a computer in which a CPU 51, a ROM 52, a RAM 53, etc. are connected by a BUS (not shown). The CPU 51 is based on a power supply control program stored in the ROM 52, The driving voltage power supply 61 is driven to discharge the liquid L from the discharge hole 13 of the nozzle 10.
ここで上記の液体吐出ヘッドAに関して図1を用いて以下で詳しく説明する。図1(A)のボディプレート102には、薄板101が貼り合わされることで圧力室となる圧力室溝124、共通流路となる共通流路溝122、および共通流路と圧力室とを結ぶ流路となる流路溝123が設けられている。以後、上記で説明に使用した圧力室溝、供給路溝、共通インク室溝の各符号はそれぞれ圧力室、供給路、共通インク室にも使用する。 Here, the liquid discharge head A will be described in detail with reference to FIG. A thin plate 101 is attached to the body plate 102 in FIG. 1A to connect a pressure chamber groove 124 serving as a pressure chamber, a common channel groove 122 serving as a common channel, and a common channel and a pressure chamber. A channel groove 123 serving as a channel is provided. Hereinafter, the reference numerals of the pressure chamber groove, the supply path groove, and the common ink chamber groove used in the above description are also used for the pressure chamber, the supply path, and the common ink chamber, respectively.
共通流路溝122には、外部の図示しない液体タンクから液体を供給する供給管が連絡されている供給口125が設けてあり、図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により供給管及び供給口125を通じて共通流路122、圧力室124、ノズル110等の液体に所定の供給圧力が付与されるようになっている。 The common channel groove 122 is provided with a supply port 125 through which a supply pipe for supplying liquid from an external liquid tank (not shown) is connected, and is supplied by a supply pump (not shown) or by a differential pressure depending on the position of the liquid tank. A predetermined supply pressure is applied to the liquid such as the common flow path 122, the pressure chamber 124, and the nozzle 110 through the pipe and the supply port 125.
また、圧力室溝124の底面には、インクを吐出するためのノズル110が形成されている。薄板101とボディプレート102とを貼り合わせることで流路ユニット10Mが形成される。 A nozzle 110 for discharging ink is formed on the bottom surface of the pressure chamber groove 124. By attaching the thin plate 101 and the body plate 102 together, the flow path unit 10M is formed.
図1(B)は、図1(A)に示す液体吐出ヘッド10Aにおける薄板101のY−Y’、及びボディプレート102のX−X’の位置での一つの圧力室溝124周辺部の断面を模式的に示している。図1(A)が示しているように、流路ユニット10Mに圧電素子103をインク吐出用アクチュエータとして薄板101のボディプレート102を接着する面と反対の各圧力室124の裏面に接着することで、液体吐出ヘッド10Aが完成する。 FIG. 1B shows a cross section of the periphery of one pressure chamber groove 124 at the position YY ′ of the thin plate 101 and the position XX ′ of the body plate 102 in the liquid discharge head 10A shown in FIG. Is schematically shown. As shown in FIG. 1A, the piezoelectric element 103 is bonded to the flow path unit 10M as an ink ejection actuator to the back surface of each pressure chamber 124 opposite to the surface to which the body plate 102 of the thin plate 101 is bonded. Thus, the liquid discharge head 10A is completed.
この液体吐出ヘッド10Aの各圧電素子103に駆動パルス電圧が印加され、圧電素子103から発生する振動が薄板101を通じて圧力室124に伝えられ、圧力室124内のインクの圧力を変動させることで吐出孔113にメニスカスが形成される。尚、図1(B)における141は薄板101とボディプレート102とを接着している接着層、143は以降で説明するSiO2層、128は吐出孔113からのインクの滲み出しを抑制するための撥液層を示している。撥液層128を設けることで、ノズル110の吐出孔113部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔113の周囲の吐出面に広がり難くされることでメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することが可能となる。 A drive pulse voltage is applied to each piezoelectric element 103 of the liquid discharge head 10A, and vibration generated from the piezoelectric element 103 is transmitted to the pressure chamber 124 through the thin plate 101, and the pressure of the ink in the pressure chamber 124 is changed to discharge. A meniscus is formed in the hole 113. In FIG. 1B, reference numeral 141 denotes an adhesive layer that bonds the thin plate 101 and the body plate 102, 143 denotes an SiO 2 layer that will be described later, and 128 denotes to suppress the bleeding of ink from the ejection holes 113. The liquid repellent layer is shown. By providing the liquid repellent layer 128, the liquid meniscus formed in the discharge hole 113 portion of the nozzle 110 is hardly spread on the discharge surface around the discharge hole 113, thereby effectively reducing the electric field concentration at the meniscus tip. Can be prevented.
図2は、図1に示す様な液体吐出ヘッドを製造するための製造工程の一例を模式的に示している。公知のフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理により、ノズル210と図示しない共通流路溝、流路溝並びに圧力室溝224より構成される液体吐出ヘッドのボディプレート202をSi基板から形成するのがこのましい(図2(1a))。Si基板を用いることで、容易に高精度にノズルや圧力室溝224等を作製することができる。 FIG. 2 schematically shows an example of a manufacturing process for manufacturing the liquid discharge head as shown in FIG. It is preferable to form a body plate 202 of a liquid discharge head composed of a nozzle 210 and a common channel groove (not shown), a channel groove, and a pressure chamber groove 224 from a Si substrate by a known photolithography process and etching process. (FIG. 2 (1a)). By using the Si substrate, the nozzle, the pressure chamber groove 224 and the like can be easily manufactured with high accuracy.
このボディプレート202の吐出孔213形成面に厚みを0.5μmから300μm程度のSiO2膜243を形成するのが好ましい。SiO2膜243を設けることで、吐出孔213に形成されるメニスカスに効率よく電界を集中させることが可能となる。このSiO2膜243の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば熱酸化処理やTEOS(テトラエトキシシラン)処理が挙げられる。 An SiO 2 film 243 having a thickness of about 0.5 μm to 300 μm is preferably formed on the surface of the body plate 202 where the discharge holes 213 are formed. By providing the SiO 2 film 243, the electric field can be efficiently concentrated on the meniscus formed in the discharge hole 213. The method for forming the SiO 2 film 243 is not particularly limited, and examples thereof include thermal oxidation treatment and TEOS (tetraethoxysilane) treatment.
また、ボディプレート202のノズル210の内周面及びこれに続く圧力室溝224の底面には、例えばNiP、Pt,Au等の導電素材よりなる帯電用電極216を設ける(図2(1b))。この帯電用電極216を設ける方法は特に限定されるものではなく、公知の真空蒸着法、スパッタリング法等を用いれば良い。また、導電素材としては、上記の例に限定されるものではなく、吐出に用いられる液体に接することで腐食等を生じないものを適宜選択すれば良い。 Further, a charging electrode 216 made of a conductive material such as NiP, Pt, or Au is provided on the inner peripheral surface of the nozzle 210 of the body plate 202 and the subsequent bottom surface of the pressure chamber groove 224 (FIG. 2 (1b)). . The method for providing the charging electrode 216 is not particularly limited, and a known vacuum deposition method, sputtering method, or the like may be used. Further, the conductive material is not limited to the above example, and a material that does not cause corrosion or the like by being in contact with the liquid used for ejection may be selected as appropriate.
次に、例えばSi基板を保持基板270として(図2(2a))、この保持基板270上に振動板となる薄膜(薄板)201を設ける(図2(2b))。この薄膜201は、耐久性が良い金属又は製造が容易で安価な樹脂とするのが好ましい。この振動板となる薄膜201の厚みは、取り扱い上の観点や実用的な圧電素子203の駆動電圧範囲での変形力や応答性等の仕様から適宜決めれば良いが、通常1μmから50μm程度とするのが好ましい。 Next, for example, a Si substrate is used as the holding substrate 270 (FIG. 2 (2a)), and a thin film (thin plate) 201 serving as a vibration plate is provided on the holding substrate 270 (FIG. 2 (2b)). The thin film 201 is preferably a highly durable metal or an easily manufactured and inexpensive resin. The thickness of the thin film 201 serving as the vibration plate may be appropriately determined from the viewpoints of handling and specifications such as deformation force and responsiveness in a practical driving voltage range of the piezoelectric element 203, but is usually about 1 μm to 50 μm. Is preferred.
また、上記の膜厚は、均一であることが望ましく、膜厚の±20%以下、更には±10%以下とするのがより好ましい。上記の膜厚で均一な厚みの薄膜201を設ける方法として、薄膜201を金属とする場合は、スパッタリング法や真空蒸着法等の真空成膜やメッキ処理又は電鋳処理等、樹脂とする場合はスピンコート法、ディップコート法又はスプレーコート法等を挙げることができ、これらの方法を用いることで膜厚の均一の程度は、膜厚の±10%以下とすることができる。 The film thickness is desirably uniform, and is more preferably ± 20% or less, and even more preferably ± 10% or less of the film thickness. As a method of providing the thin film 201 having a uniform thickness with the above-described film thickness, when the thin film 201 is a metal, a vacuum film formation such as a sputtering method or a vacuum evaporation method, a plating process, an electroforming process, or the like is used. Examples of the method include a spin coating method, a dip coating method, and a spray coating method. By using these methods, the degree of uniformity of the film thickness can be ± 10% or less of the film thickness.
保持基板270に上記のような金属又は樹脂の薄膜201を設ける際、薄膜201の基板270への密着性を良くするための活性化処理を行わないのが好ましい。この活性化処理を行わないことで、例えばSi基板とする保持基板270上に形成させる電鋳や樹脂からなる薄膜は、Si基板への密着性が強固な固着状態とならず、後で説明するSi基板の除去の際、薄膜201から容易にSi基板を剥がすことで除去することができる。 When the metal or resin thin film 201 as described above is provided on the holding substrate 270, it is preferable not to perform an activation process for improving the adhesion of the thin film 201 to the substrate 270. By not performing this activation treatment, for example, a thin film made of electroforming or resin formed on the holding substrate 270 that is a Si substrate does not have a strong adhesion to the Si substrate, and will be described later. When removing the Si substrate, the Si substrate can be easily removed from the thin film 201.
保持基板270の表面形状は、上記の振動板となる金属又は樹脂からなる薄膜201に転写されるため、例えば凹凸や傷が存在すれば、その形状を振動板が持つことになる。この凹凸や傷が転写された振動板は、長期間に渡って振動が加わることにより、その転写された凹凸部や傷部が起因となって割れが入り、その結果として破損したりすることが十分予想されることから、保持基板270の表面形状は、鏡面とするのが好ましい。 Since the surface shape of the holding substrate 270 is transferred to the thin film 201 made of a metal or a resin to be the above-described vibration plate, for example, if there are irregularities or scratches, the vibration plate has that shape. The vibration plate with the irregularities and scratches transferred may be cracked due to the transferred irregularities and scratches due to vibrations applied over a long period of time, resulting in damage. Since it is sufficiently predicted, the surface shape of the holding substrate 270 is preferably a mirror surface.
保持基板270の材料としては、特に限定されるものではないが、上記の通り鏡面とすることが可能で、後で説明する接合時の加熱に耐えることが可能な材料が好ましいことから、例えばSi基板、SUS(Special Use Stainless steel:特殊用途ステンレス鋼板)板、石英基板が挙げられる。 The material of the holding substrate 270 is not particularly limited, but can be a mirror surface as described above, and is preferably a material that can withstand heating at the time of bonding described later. Examples include a substrate, a SUS (Special Use Stainless Steel) plate, and a quartz substrate.
次に、この金属又は樹脂からなる薄膜201が形成された保持基板270の膜面と先のボディプレート202の溝が形成されている面とを接着剤241を介して貼り合わせる(図2(e))。 Next, the film surface of the holding substrate 270 on which the thin film 201 made of metal or resin is formed and the surface on which the groove of the body plate 202 is formed are bonded with an adhesive 241 (FIG. 2 (e) )).
ここで、貼り合わせる方法は、特に限定されないが、図2で示す、広く用いられている接着剤241を使用する以外に、Siと可動イオンを含む硼珪酸ガラスとの接合法である陽極接合法(図3)、被接合物間に何も介在しない分子間力による分子間力接合法(図4)、及び金属同士の金属接合法(図5)が有る。 Here, the bonding method is not particularly limited, but an anodic bonding method which is a bonding method between Si and borosilicate glass containing mobile ions, in addition to using the widely used adhesive 241 shown in FIG. (FIG. 3), there are an intermolecular force bonding method (FIG. 4) by an intermolecular force in which nothing is interposed between objects to be bonded, and a metal bonding method between metals (FIG. 5).
これらの方法を用いることによりボディプレートと薄板とを強固に貼り合わせることができる。これら陽極接合法、分子間力接合法及び金属接合法に関して以下に説明する。 By using these methods, the body plate and the thin plate can be firmly bonded. These anodic bonding method, intermolecular force bonding method and metal bonding method will be described below.
まず、陽極接合法を用いて薄板1とボディプレート2との接合について図3を用いて説明する。陽極接合法を用いて2つの基板を接合する場合、基板の一方をSiとし、他方を可動イオン、例えば代表的にはナトリウムイオン(Na+)を含む硼珪酸ガラスとする場合がある。 First, the joining of the thin plate 1 and the body plate 2 using the anodic bonding method will be described with reference to FIG. In the case where two substrates are bonded using an anodic bonding method, one of the substrates may be Si, and the other may be a borosilicate glass containing mobile ions, typically sodium ions (Na + ).
可動イオンを含む硼珪酸ガラス(以下、硼珪酸ガラスと称する。)としては、具体的にはパイレックス(登録商標)またはテンパックス フロート(登録商標)等がある。例えば、ボディプレート302はSiであるが、薄板301は金属とする場合、このままでは陽極接合を行うことができない。これに対応するため、薄板301のボディプレート302と貼り合わせる面に硼珪酸ガラス層341を設けて硼珪酸ガラス面とすることで対応することができる(図3(2b))。 Specific examples of borosilicate glass containing mobile ions (hereinafter referred to as borosilicate glass) include Pyrex (registered trademark) and Tempax Float (registered trademark). For example, when the body plate 302 is made of Si but the thin plate 301 is made of metal, anodic bonding cannot be performed as it is. In order to cope with this, it is possible to cope with this by providing a borosilicate glass layer 341 on the surface of the thin plate 301 to be bonded to the body plate 302 (FIG. 3 (2b)).
この硼珪酸ガラス層341の膜厚は、陽極接合にて強固に接合される膜厚であれば良く、膜の密度や均一性の観点から1μm以上が好ましく、また陽極接合時に必要な接合面の印加電圧の観点や膜の内部応力による割れが生じない様にすることから5μm以下が好ましい。 The film thickness of the borosilicate glass layer 341 may be a film thickness that can be strongly bonded by anodic bonding, and is preferably 1 μm or more from the viewpoint of the density and uniformity of the film. The thickness is preferably 5 μm or less from the viewpoint of applied voltage and from the prevention of cracking due to internal stress of the film.
この硼珪酸ガラス層341の成膜方法は、真空蒸着法や高周波(RF)マグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング法のいずれでも良く、また成膜時に基板の温度を緻密な膜が形成しやすいように250℃以上となるように加熱することが好ましい。この温度の上限は特に定めないが、基板の取り付け治具や成膜時の基板の温度制御装置等の観点から400℃程度が好ましい。 The borosilicate glass layer 341 can be formed by any one of a vacuum deposition method, a radio frequency (RF) magnetron sputtering method, and an ion plating method, and the substrate temperature can be easily formed at the time of film formation. It is preferable to heat so that it may become 250 degreeC or more. The upper limit of the temperature is not particularly defined, but is preferably about 400 ° C. from the viewpoint of a substrate mounting jig, a substrate temperature control device during film formation, and the like.
次に、上記で説明した硼珪酸ガラス層341が成膜された薄板301を有する保持基板370とボディプレート302とを、適切な位置関係にして重ね合わせて固定し、ボディプレート302と硼珪酸ガラス341との接合部の温度を300℃〜550℃の範囲にして、直流高圧電源310を用いて電圧を印加(ボディプレート302をプラス(+)、薄板301側をマイナス(−)として、電界強度にして5V/1μmから20V/1μm程度)して陽極接合することができる(図3(e))。 Next, the holding substrate 370 having the thin plate 301 on which the borosilicate glass layer 341 described above is formed and the body plate 302 are overlapped and fixed in an appropriate positional relationship, and the body plate 302 and the borosilicate glass are fixed. The temperature of the junction with 341 is set to a range of 300 ° C. to 550 ° C., and a voltage is applied using a DC high-voltage power supply 310 (the body plate 302 is positive (+) and the thin plate 301 side is negative (−). And 5V / 1 μm to 20 V / 1 μm), and anodic bonding can be performed (FIG. 3E).
次に分子間力接合方法に関して図4を用いて説明する。例えば保持基板470であるSi基板上に設けたPt(白金)薄板401とSiから成るボディプレート402とを貼り合わせるそれぞれの面(442及び443)をダイヤモンドペースト(粒径はおおよそ0.1μm〜0.3μmの範囲)等を用いたバフ研磨等により表面粗さRa<10nmになるように研磨を行う。 Next, the intermolecular force bonding method will be described with reference to FIG. For example, each surface (442 and 443) for bonding a Pt (platinum) thin plate 401 provided on a Si substrate which is a holding substrate 470 and a body plate 402 made of Si is diamond paste (particle size is approximately 0.1 μm to 0 μm). Polishing is performed so that the surface roughness Ra <10 nm.
ここで、本実施形態における表面粗さRaは、触針式表面粗計Dektak3030(Sloan Technology Veeco Instruments製、触針:ダイヤモンド製半径12.5μm、針圧:0.05mN)を使用して、測定幅3mmとする任意の3箇所における各表面粗さの算術平均値としている。次に保持基板470上のPt層401の研磨面442を上に向けて、この面にボディプレート402の研磨面443を重ねて接触させ、ボディプレート402全面をほぼ均一に加圧すると、分子間力により接合される(図4(e))。接合の際、接合面を200℃から500℃程度に加熱するとより効果的に接合することができるが、必ずしも加熱が必要ではない。また、ノズルプレートを樹脂とする場合、加熱温度は樹脂の軟化点未満とする必要がある。 Here, the surface roughness Ra in the present embodiment is measured using a stylus type surface roughness meter Dektak3030 (manufactured by Sloan Technology Veeco Instruments, stylus: diamond radius 12.5 μm, stylus pressure: 0.05 mN). The arithmetic average value of each surface roughness at any three locations with a width of 3 mm is used. Next, when the polishing surface 442 of the Pt layer 401 on the holding substrate 470 is directed upward and the polishing surface 443 of the body plate 402 is brought into contact with this surface and the entire surface of the body plate 402 is pressed almost uniformly, They are joined by force (FIG. 4E). During the bonding, the bonding surface can be heated more effectively by heating from about 200 ° C. to about 500 ° C., but heating is not always necessary. When the nozzle plate is made of resin, the heating temperature needs to be lower than the softening point of the resin.
分子間力接合を行うことができる材料は特に限定される必要はなく、被接合面(442及び443)をそれぞれ表面粗さRa<10nmとすることができれば接合することができる。 The material capable of performing intermolecular force bonding is not particularly limited, and can be bonded if the surfaces to be bonded (442 and 443) can each have a surface roughness Ra <10 nm.
次に金属接合法に関して図5を用いて説明する。金属接合は、接合される例えば保持基板570であるSi基板面上のニッケル薄板501及びボディプレート502のそれぞれの被接合面に、金(Au)、金錫(Au−Sn)合金又はインジウム(In)の内いずれか1つを適宜選択した同じ材料でもって金属層(546及び547)を設け、この金属層(546及び547)同士を重ねた後、重ね合わせた金属層を加熱しながら加圧して接合することができる。接合部の加熱温度は、金の場合は、400℃程度、金錫合金の場合は、200℃程度、インジウムの場合は100℃程度とするのが良い。 Next, the metal bonding method will be described with reference to FIG. Metal bonding is performed by bonding gold (Au), gold-tin (Au—Sn) alloy, or indium (In) to the bonded surfaces of the nickel thin plate 501 and the body plate 502 on the Si substrate surface to be bonded, for example, the holding substrate 570. The metal layers (546 and 547) are provided by using the same material appropriately selected from any one of the above), and the metal layers (546 and 547) are overlapped with each other, and then the stacked metal layers are pressurized while being heated. Can be joined together. The heating temperature of the joint is preferably about 400 ° C. for gold, about 200 ° C. for gold-tin alloy, and about 100 ° C. for indium.
上記で説明した接合方法により、例えば図2を例にすると、ボディプレート202と保持基板270上に設けた薄板(膜)201とを貼り合わせた後、保持基板270を取り除く。これまでに説明した様に保持基板270上に薄板201を設ける際、保持基板270に密着性が良くなる活性化処理を行っていないことから、保持基板270は、特別な処理をすることなくボディプレート202と保持基板270とを引き離すことでボディプレート202に固定されている薄板201から容易に剥がされ取り除くことができる(図2(f))。 For example, referring to FIG. 2, the holding substrate 270 is removed after bonding the body plate 202 and the thin plate (film) 201 provided on the holding substrate 270 by the bonding method described above. As described above, when the thin plate 201 is provided on the holding substrate 270, since the activation process for improving the adhesion to the holding substrate 270 is not performed, the holding substrate 270 does not perform any special process. By separating the plate 202 and the holding substrate 270 from each other, they can be easily peeled off and removed from the thin plate 201 fixed to the body plate 202 (FIG. 2 (f)).
従って、ボディプレート202には、上記の貼り合わせ方法で固定された薄板201が存在していることになる。尚、保持基板270を除去する方法は、上記の方法に特に限定されず、ボディプレート202や薄板201に損傷を与えることなく除去する方法であれば良く、例えばSi基板であれば溶解としても良い。また、図3乃至図5で示した他の接合方法の場合も、図2を例として説明した上記と同様として保持基板を除去すればよい。 Therefore, the thin plate 201 fixed by the above bonding method is present on the body plate 202. The method for removing the holding substrate 270 is not particularly limited to the above method, and any method may be used as long as it is a method that removes the body plate 202 and the thin plate 201 without damaging them. For example, a Si substrate may be dissolved. . Further, in the case of other bonding methods shown in FIGS. 3 to 5, the holding substrate may be removed in the same manner as described above with reference to FIG.
この後、例えば図2を例とすると、薄板201に、各圧力室224に対応する圧電素子203をそれぞれ設けることで、液体吐出ヘッド20Aを完成させることができる。図3乃至図5で示した薄板にも、図2を例として説明した上記と同様として圧電素子を設けることで、液体吐出ヘッドを完成させることができる。 Thereafter, for example, referring to FIG. 2, the liquid discharge head 20 </ b> A can be completed by providing the thin plate 201 with the piezoelectric elements 203 corresponding to the respective pressure chambers 224. The liquid ejection head can be completed by providing the thin plate shown in FIGS. 3 to 5 with the piezoelectric element as described above with reference to FIG. 2 as an example.
また、図2において、ノズルの吐出孔213が設けてある吐出面には、撥液層228が設けられている。撥液層228は、例えば、液体が水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体が油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、FEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン)、PTFE(ポリテトラフロロエチレン)、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面に成膜されている。なお、撥液層228は、吐出面に直接成膜してもよいし、撥液層228の密着性を向上させるために中間層を介して成膜しても良い。また、図3乃至図5で示した吐出面にも図2を例として説明した上記と同様にして撥液層を設けることができる。 In FIG. 2, a liquid repellent layer 228 is provided on the discharge surface where the nozzle discharge hole 213 is provided. For the liquid repellent layer 228, for example, a material having water repellency is used if the liquid is aqueous, and a material having oil repellency is used if the liquid is oily, but in general, FEP (ethylene tetrafluoride. Fluorine resin such as propylene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), fluorine siloxane, fluoroalkylsilane, and amorphous perfluoro resin is often used, and is formed on the discharge surface by a method such as coating or vapor deposition. . The liquid repellent layer 228 may be formed directly on the ejection surface, or may be formed via an intermediate layer in order to improve the adhesion of the liquid repellent layer 228. In addition, a liquid repellent layer can be provided on the ejection surface shown in FIGS. 3 to 5 in the same manner as described above with reference to FIG.
尚、図2乃至図5で示すボディプレートは、ノズルを有する部分と圧力室溝等を有する部分とを1体化している構成とするのが好ましい。この一体化している構成とすることで、ノズルと圧力室溝との相互の位置を容易に精度良く形成することができる。また、図7に示す、ノズル710を有する部分をノズルプレート702bとし、圧力室溝724等を有する部分をボディプレート702aとする分離した構成とするのが好ましい。ノズルプレートとボディプレートとを分離することで、それぞれに必要な特性、加工精度、作製の容易さ等に適した材料を選択可能とすることができる。 The body plate shown in FIGS. 2 to 5 preferably has a structure in which a portion having a nozzle and a portion having a pressure chamber groove or the like are integrated. By adopting this integrated configuration, the mutual positions of the nozzle and the pressure chamber groove can be easily formed with high accuracy. Further, it is preferable that the portion having the nozzle 710 shown in FIG. 7 is a nozzle plate 702b, and the portion having the pressure chamber groove 724 and the like is a body plate 702a. By separating the nozzle plate and the body plate, it is possible to select a material suitable for each of the necessary characteristics, processing accuracy, ease of manufacture, and the like.
ノズルプレートとボディプレートとを分離した構成とする場合、ボディプレート702aは加工精度の良いSiからなるのが好ましく、また、ノズルプレート702bは、体積抵抗率が1015Ω・m以上とするガラス(以降、高抵抗ガラスと称する。)又は体積抵抗率が1015Ω・m以上とする樹脂(以降、高抵抗樹脂と称する。)から形成するのが好ましい。高抵抗ガラスとしては、例えば石英、合成石英、高純度ガラス等から適宜選べば良く、高抵抗樹脂としては、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PI(ポリイミド)等から適宜選べば良い。 When the nozzle plate and the body plate are separated from each other, the body plate 702a is preferably made of Si with good processing accuracy, and the nozzle plate 702b is made of a glass having a volume resistivity of 10 15 Ω · m or more ( Hereinafter, it is preferably formed from a resin having a volume resistivity of 10 15 Ω · m or more (hereinafter referred to as a high resistance resin). As the high resistance glass, for example, quartz, synthetic quartz, high purity glass, or the like may be selected as appropriate. As the high resistance resin, for example, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PI (polyimide), or the like may be selected as appropriate. It ’s fine.
高抵抗ガラスにノズルを設けてノズルプレートを作製する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば高抵抗ガラス基板を用いてフッ化カーボン、フッ化水素化カーボン系ガスを反応ガスとするドライエッチング処理を行う方法がある。また、高抵抗樹脂にノズルを設けてノズルプレートを作製する方法としては、特に限定されるものはなく、例えば樹脂成形方法や塗布した樹脂膜に公知のフォトリソグラフィ技術を用いる方法がある。 A method for producing a nozzle plate by providing a nozzle in high resistance glass is not particularly limited. For example, a dry glass using a high resistance glass substrate and a carbon fluoride gas or a hydrofluoric carbon gas as a reaction gas is used. There is a method of performing an etching process. Further, a method for producing a nozzle plate by providing a nozzle in a high-resistance resin is not particularly limited, and examples thereof include a resin molding method and a method using a known photolithography technique for a coated resin film.
また、ボディプレート702aと薄板701との貼り合わせは、特に限定されるものではなく、上記で説明した接着剤、陽極接合法、分子間力接合法及び金属接合法等と同じで良い。更に、ボディプレート702aとノズルプレート702bとの張り合わせに関しても、特に限定されるものではなく、上記に挙げた方法等を適宜用いれば良い。 The bonding of the body plate 702a and the thin plate 701 is not particularly limited, and may be the same as the adhesive, anodic bonding method, intermolecular force bonding method, metal bonding method, and the like described above. Further, the bonding between the body plate 702a and the nozzle plate 702b is not particularly limited, and the above-described methods and the like may be appropriately used.
発明者らが、図8に示す液体吐出実験装置S’を使用して電極間の電界の電界強度が実用的な値である1.5kV/mmとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート11’を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル10’から液滴D’が吐出される場合と吐出されない場合があった。
[実験条件]
ノズルプレート11’の吐出面12’と対向電極3’の対向面との距離:1.0mm
ノズルプレート11’の厚さ:125μm
ノズル径:10μm
静電電圧:1.5kV
駆動電圧:20V
液体吐出実験に使用した実験用液体吐出ヘッドA’のノズル10’には4°のテーパ角を持っている。このテーパ角は、ノズル10’の断面において、吐出面12’に対する垂線から吐出面12’から離れる方向に広がる角度を示している。尚、このテーパ角は、吐出に対する影響は小さく、液滴を安定に吐出する条件への依存性は大きくないことが後で説明するシミュレーションから得られている。
The inventors configured the electric field strength of the electric field between the electrodes to be a practical value of 1.5 kV / mm using the liquid discharge experimental apparatus S ′ shown in FIG. In experiments conducted by forming the nozzle plate 11 ′ and based on the following experimental conditions, there were cases where the droplet D ′ was ejected from the nozzle 10 ′ and was not ejected.
[Experimental conditions]
Distance between discharge surface 12 'of nozzle plate 11' and facing surface of counter electrode 3 ': 1.0 mm
Nozzle plate 11 'thickness: 125 μm
Nozzle diameter: 10 μm
Electrostatic voltage: 1.5 kV
Drive voltage: 20V
The nozzle 10 ′ of the experimental liquid discharge head A ′ used in the liquid discharge experiment has a taper angle of 4 °. The taper angle indicates an angle that spreads in a direction away from the discharge surface 12 ′ from a perpendicular to the discharge surface 12 ′ in the cross section of the nozzle 10 ′. The taper angle has a small influence on the ejection, and it is obtained from simulations described later that the dependence on the conditions for ejecting the droplets stably is not large.
ここで、液体吐出ヘッドにおける液体の吐出原理について図8を用いて説明する。実験用液体吐出ヘッドA’では、静電電圧電源63’から静電電圧印加手段である帯電用電極16’に静電電圧を印加し、ノズル10’の吐出孔13’の液体L’と対向電極3’の実験用液体吐出ヘッドA’に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源61’から圧力発生手段であるピエゾ素子22’に駆動電圧を印加してピエゾ素子22’を変形させ、それにより液体L’に生じた圧力でノズル10’の吐出孔13’に液体L’のメニスカスを形成させる。 Here, the principle of liquid ejection in the liquid ejection head will be described with reference to FIG. In the experimental liquid ejection head A ′, an electrostatic voltage is applied from the electrostatic voltage power source 63 ′ to the charging electrode 16 ′ as electrostatic voltage application means, and is opposed to the liquid L ′ in the ejection hole 13 ′ of the nozzle 10 ′. An electric field is generated between the facing surface of the electrode 3 ′ facing the experimental liquid ejection head A ′. Further, a driving voltage is applied from the driving voltage power supply 61 ′ to the piezoelectric element 22 ′ as pressure generating means to deform the piezoelectric element 22 ′, and thereby the discharge hole 13 ′ of the nozzle 10 ′ is generated by the pressure generated in the liquid L ′. To form a meniscus of liquid L ′.
ノズル10’部の絶縁性が高くなると、図9にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズル10’の内部に、吐出面12’に対して略垂直方向に等電位線が並び、液体Lのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。 When the insulating property of the nozzle 10 ′ is increased, as shown by the equipotential lines by simulation in FIG. 9, the equipotential lines are arranged in the nozzle 10 ′ in the direction substantially perpendicular to the ejection surface 12 ′. A strong electric field is generated toward the meniscus portion.
特に、図9でメニスカスの先端部では等電位線9−1が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体L’から分離されて液滴D’となる。さらに、液滴D’は静電力により加速され、対向電極3’に支持された基材K’に引き寄せられて着弾する。その際、液滴D’は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材K’に対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。 In particular, as can be seen from the fact that the equipotential lines 9-1 are dense at the tip of the meniscus in FIG. 9, a very strong electric field concentration occurs at the tip of the meniscus. For this reason, the meniscus is torn off by the electrostatic force of the electric field and separated from the liquid L ′ in the nozzle to form a droplet D ′. Further, the droplet D ′ is accelerated by the electrostatic force, and is attracted and landed on the base material K ′ supported by the counter electrode 3 ′. At that time, since the droplet D 'attempts to land closer by the action of electrostatic force, the angle at the time of landing on the substrate K' is stabilized and accurately performed.
このように、実験用液体吐出ヘッドA’における液体L’の吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する実験用液体吐出ヘッドA’においても、高い絶縁性を有するノズル10’部を用い、吐出面12’に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体L’の吐出状態を形成することができる。 As described above, if the discharge principle of the liquid L ′ in the experimental liquid discharge head A ′ is used, the experimental liquid discharge head A ′ having a flat discharge surface also uses the nozzle 10 ′ portion having high insulation. By generating a potential difference in the vertical direction with respect to the discharge surface 12 ′, strong electric field concentration can be generated, and an accurate and stable discharge state of the liquid L ′ can be formed.
この液体吐出実験装置S’による実験で、液滴D’がノズルから安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトウエアである「PHOTO−VOLT」(商品名、株式会社フォトン製)によるシミュレーションにより算出した。ここでの電界強度は、電流分布解析モードによる、電圧印加後300秒後の電界強度を言う。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は1.5×107V/m以上であった。また、この実験において、液滴D’がノズルから安定して吐出されない場合についても、上記と同様のシミュレーションによりメニスカス先端部の電界強度を算出した。その結果、1.5×107V/m未満であった。 In the experiment using the liquid discharge experimental device S ′, the electric field strength at the tip of the meniscus was obtained for all cases where the droplet D ′ was stably discharged from the nozzle. Actually, since it is difficult to directly measure the electric field strength at the tip of the meniscus, the electric field simulation software “PHOTO-VOLT” (trade name, manufactured by Photon Co., Ltd.) was used for calculation. The electric field strength here refers to the electric field strength 300 seconds after voltage application in the current distribution analysis mode. As a result, in all cases, the electric field strength at the meniscus tip was 1.5 × 10 7 V / m or more. In this experiment, even when the droplet D ′ was not stably ejected from the nozzle, the electric field strength at the meniscus tip was calculated by the same simulation as described above. As a result, it was less than 1.5 × 10 7 V / m.
また、上記の実験条件と同様のパラメータを同ソフトウエアに入力してメニスカス先端部の電界強度を計算した結果、図10に示すように、電界強度はノズルプレート11’に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。また、ノズル10’から液滴D’を安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上であることが必要であることが上記の実験より得られていることから、図10から明らかなように、ノズルプレート11’の体積抵抗率は1015Ω・m以上であればよいことが分かった。 Further, as a result of calculating the electric field strength at the tip of the meniscus by inputting the same parameters as the above experimental conditions into the software, the electric field strength is the volume resistance of the insulator used for the nozzle plate 11 ′ as shown in FIG. It turned out to be strongly dependent on the rate. Moreover, in order to stably discharge the droplet D ′ from the nozzle 10 ′, it is obtained from the above experiment that the electric field strength at the tip of the meniscus needs to be 1.5 × 10 7 V / m or more. Therefore, as apparent from FIG. 10, it was found that the volume resistivity of the nozzle plate 11 ′ should be 10 15 Ω · m or more.
なお、図10に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート11’の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が1015Ω・m以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上になることが分かっている。 The characteristic dependency of the electric field strength at the tip of the meniscus on the volume resistivity of the nozzle plate 11 ′ as shown in FIG. 10 can be obtained in the same way even when simulation is performed with various nozzle diameters. In all cases, it is known that the electric field strength at the meniscus tip is 1.5 × 10 7 V / m or more when the volume resistivity is 10 15 Ω · m or more.
従って、図6に示す液体吐出ヘッドAにおいて、体積抵抗率が1×1016Ω・m程度であるSiO2層43をボディプレート2の吐出面12に設けるのが好ましく、液体吐出ヘッドAは、SiO2層43を持つことで、上記の必要な体積抵抗率を十分満たすことができることから、吐出孔13に形成される液滴のメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上になることが出来る。更に、SiO2層43は、吐出される液体を無機液体、有機液体及び高電気伝導率の物質(銀粉等)が多く含まれるような導電性ペーストのいずれを用いてもこれらの液体を吸収することによる体積抵抗率の低下を懸念する必要がない。従って、ボディプレートAの吐出面12近傍の体積抵抗率は必要な値を維持出来ることからメニスカス先端部の電界強度が安定して1.5×107V/m以上となることが出来る。従って、液体の吐出が安定して行われることが出来ることになる。 Therefore, in the liquid discharge head A shown in FIG. 6, it is preferable to provide the SiO 2 layer 43 having a volume resistivity of about 1 × 10 16 Ω · m on the discharge surface 12 of the body plate 2. By having the SiO 2 layer 43, the required volume resistivity can be sufficiently satisfied, so that the electric field strength at the tip of the meniscus of the droplet formed in the discharge hole 13 is 1.5 × 10 7 V / m. It can be over. Furthermore, the SiO 2 layer 43 absorbs these liquids even if any of the discharged liquid is used, which is an inorganic liquid, an organic liquid, or a conductive paste containing a high electrical conductivity substance (such as silver powder). There is no need to worry about a decrease in volume resistivity. Accordingly, since the volume resistivity in the vicinity of the discharge surface 12 of the body plate A can maintain a required value, the electric field strength at the tip of the meniscus can be stabilized to 1.5 × 10 7 V / m or more. Accordingly, the liquid can be stably discharged.
また、図7に示す液体吐出ヘッド70Aは、ノズルプレート702bとボディプレート702aとから構成されている。この場合、ノズルプレート702bの吐出面712に上記と同様にSiO2層743を設けるのが好ましい。また、ノズルプレート702bが高抵抗ガラス又は高抵抗樹脂から形成される場合は、SiO2層743を設けなくても良い。SiO2層743を設ける場合、高抵抗ガラス又は高抵抗樹脂を用いる場合の何れにおいても、上記の必要な体積抵抗率を十分満たすことができ、吐出孔713に形成される液滴のメニスカス先端部の電界強度は、1.5×107V/m以上となることが出来る。 Further, the liquid discharge head 70A shown in FIG. 7 includes a nozzle plate 702b and a body plate 702a. In this case, it is preferable to provide the SiO 2 layer 743 on the ejection surface 712 of the nozzle plate 702b as described above. Further, when the nozzle plate 702b is formed from high resistance glass or high resistance resin, the SiO 2 layer 743 may not be provided. In the case where the SiO 2 layer 743 is provided and the high resistance glass or the high resistance resin is used, the above required volume resistivity can be sufficiently satisfied, and the meniscus tip of the droplet formed in the discharge hole 713 The electric field strength of can be 1.5 × 10 7 V / m or more.
尚、ノズルプレート702bの樹脂が導電性の液体を吸収する場合、ノズルプレート702bの電気伝導度が大きくなり、その結果体積抵抗率が低下する場合がある。このような場合には、ノズルプレート702bの吐出される液体と接触する面に液体吸収防止層を設ければ良い。 In addition, when the resin of the nozzle plate 702b absorbs a conductive liquid, the electrical conductivity of the nozzle plate 702b increases, and as a result, the volume resistivity may decrease. In such a case, a liquid absorption preventing layer may be provided on the surface of the nozzle plate 702b that contacts the liquid to be discharged.
更に、図8に示すノズルプレート11’のノズル10’を図6に示す吐出孔13と同径の筒状とするテーパを持たない貫通した穴形状とした場合、ノズルプレート11’の厚みを10μm、20μm、50μm、100μmとするパラメータとして、ノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度のシミュレーション結果を図11に示す。 Further, when the nozzle 10 ′ of the nozzle plate 11 ′ shown in FIG. 8 has a cylindrical hole shape without a taper that has the same diameter as the discharge hole 13 shown in FIG. 6, the thickness of the nozzle plate 11 ′ is 10 μm. FIG. 11 shows the simulation results of the electric field strength at the meniscus tip when the nozzle diameter is changed as parameters of 20 μm, 50 μm, and 100 μm.
図11より、ノズル径が小さくなる程、またノズルプレートの厚みが厚くなる程メニスカス先端部の電界強度が大きくなることが分かる。ノズル10’から液滴D’が安定に吐出されるためにはメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上であることが必要であることから、例えばノズルプレートの厚みを10μmとする場合は、ノズル径を4μm未満とすることで液滴を安定して吐出させることができる。さらに、例えばノズルプレートの厚みを20μmとする場合はノズル径を6μm未満に、ノズルプレートの厚みを50μmとする場合はノズル径を11μm未満に、ノズルプレートの厚みを100μmとする場合はノズル径を24μm未満にすることで液滴を安定に吐出させることができる。 FIG. 11 shows that the electric field strength at the meniscus tip increases as the nozzle diameter decreases and the nozzle plate increases in thickness. In order to stably discharge the droplets D ′ from the nozzle 10 ′, the electric field strength at the meniscus tip must be 1.5 × 10 7 V / m or more. In the case of 10 μm, droplets can be stably discharged by setting the nozzle diameter to less than 4 μm. Further, for example, when the nozzle plate thickness is 20 μm, the nozzle diameter is less than 6 μm, when the nozzle plate thickness is 50 μm, the nozzle diameter is less than 11 μm, and when the nozzle plate thickness is 100 μm, the nozzle diameter is When the thickness is less than 24 μm, the droplets can be stably discharged.
例えばノズル径を5μmとする場合、図7に示す高抵抗ガラスからなるノズルプレート702bの厚み又は図6に示すボディプレート2の吐出面に設けるSiO2層43の厚みを約20μm以上とすることで液滴Dを安定して吐出させることができる。 For example, when the nozzle diameter is 5 μm, the thickness of the nozzle plate 702b made of high resistance glass shown in FIG. 7 or the thickness of the SiO 2 layer 43 provided on the discharge surface of the body plate 2 shown in FIG. 6 is about 20 μm or more. The droplet D can be discharged stably.
このように、高抵抗ガラスからなるノズルプレート702bの厚み又はボディプレート2の吐出面に設けるSiO2層43の厚みを、図11を参照又はこの図11を求めたシミュレーションを用いて所望のノズル径より適宜決める値とすることにより、安定に液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを得ることができる。 As described above, the thickness of the nozzle plate 702b made of high-resistance glass or the thickness of the SiO 2 layer 43 provided on the discharge surface of the body plate 2 is set to a desired nozzle diameter with reference to FIG. By setting the value more appropriately, a liquid discharge head capable of stably discharging droplets can be obtained.
なお、本実施形態では、ピエゾ素子22の変形により形成されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧による電界で加速して基材Kに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子22の変形による圧力のみで液体Lが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加するように構成することも可能である。 In this embodiment, the meniscus formed by deformation of the piezo element 22 is separated by electrostatic attraction force into droplets, accelerated by an electric field due to electrostatic voltage, and landed on the substrate K. In addition to this, for example, it is possible to apply a driving voltage that is strong enough to cause the liquid L to form droplets only by the pressure due to the deformation of the piezoelectric element 22.
以下、実施例を以下に説明する。ボディプレートの吐出面にノズル径10μmとする32個のノズル、これと反対面側の圧力室溝、共通流路溝、および共通流路溝と圧力室溝とを結ぶ流路溝等の形成は、Si基板を用いて実施例1から3の何れにおいても同じ公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)とICP(Inductive Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)を用いた異方性ドライエッチング技術を用いて形成した。 Examples will be described below. Formation of 32 nozzles having a nozzle diameter of 10 μm on the discharge surface of the body plate, pressure chamber grooves on the opposite side, common flow channel grooves, flow channel grooves connecting the common flow channel grooves and the pressure chamber grooves, etc. The same known photolithography technique (resist application, exposure, development) and anisotropic dry etching technique using ICP (Inductively Coupled Plasma) are used in any of Examples 1 to 3 using a Si substrate. Formed using.
液体吐出の実験には、エタノールに染料(CIアシッドレッド1)を3質量%含有した導電性の液体を用いた。 In the liquid discharge experiment, a conductive liquid containing 3% by mass of a dye (CI Acid Red 1) in ethanol was used.
尚、異方性ドライエッチング技術は、高アスペクト比(加工された凹部の深さと幅の比であり、アスペクト比が高いとは、溝の深さが深く幅が狭い状態を表す。)の構造を得るための技術であって、エッチングの最中にエッチングにより加工された凹部の側壁を保護するためにエッチング反応を生じさせる化学種(ラジカル、イオン等)を発生させるサイクルと、側壁を保護するための保護膜を堆積させるサイクルとを交互に行うエッチング処理のことである。この異方性ドライエッチング技術を用いることでシリコン基板に形成される凹部の側壁は基板表面に対して垂直に加工できる。本実施例の溝や穴等の形成のエッチングガスとしてはSF6を、側壁保護膜の堆積用ガスとしてはC4F8を用いた。 The anisotropic dry etching technique has a structure with a high aspect ratio (the ratio between the depth and width of the processed recess, and a high aspect ratio indicates a state where the depth of the groove is deep and the width is narrow). In order to protect the sidewalls of the recesses processed by etching during etching, a cycle for generating chemical species (radicals, ions, etc.) that cause an etching reaction and the sidewalls are protected. This is an etching process in which a cycle for depositing a protective film is alternately performed. By using this anisotropic dry etching technique, the side wall of the recess formed in the silicon substrate can be processed perpendicular to the substrate surface. In this embodiment, SF 6 was used as an etching gas for forming grooves and holes, and C 4 F 8 was used as a deposition gas for the sidewall protective film.
(実施例1)
図2に示す製造工程に沿って説明する。Siからなるボディプレート202には溝が形成されており(図2(1a))、この溝が形成されている面の反対面であるノズル210の吐出孔213がある吐出面にTEOS(テトラエトキシシラン)処理により厚み約60μmのSiO2膜243を成膜した。また、帯電用電極216としてノズル210内周面及び圧力室底部にNiP膜をRFマグネトロンスパッタ法を用いて基板温度を300℃、高周波電力500W(周波数:13.56MHz)、アルゴン雰囲気中(0.667Pa)で、0.5μmの厚みに成膜した(図2(1b))。
Example 1
A description will be given along the manufacturing process shown in FIG. A groove is formed in the body plate 202 made of Si (FIG. 2 (1a)), and TEOS (tetraethoxy) is formed on the discharge surface where the discharge hole 213 of the nozzle 210 is opposite to the surface where the groove is formed. A SiO 2 film 243 having a thickness of about 60 μm was formed by silane treatment. Further, a NiP film is used as the charging electrode 216 on the inner peripheral surface of the nozzle 210 and the bottom of the pressure chamber by using the RF magnetron sputtering method, the substrate temperature is 300 ° C., the high frequency power is 500 W (frequency: 13.56 MHz), and the atmosphere is argon (0. 667 Pa), a film having a thickness of 0.5 μm was formed (FIG. 2 (1 b)).
次に別途用意したSi基板270(図2(2a))面に活性化処理を行わないでニッケルをマグネトロンスパッタ法を用いて厚み約0.2μm成膜し、これを電鋳用電極として厚さ25μmのニッケル201を電鋳処理した(図2(2b))。 Next, nickel is deposited on the surface of a separately prepared Si substrate 270 (FIG. 2 (2a)) by using a magnetron sputtering method without performing activation treatment, and this is used as an electrode for electroforming. 25 μm nickel 201 was electroformed (FIG. 2 (2 b)).
次に、先に作製したボディプレート202の溝形成面にSi基板270上のニッケル電鋳膜201をエポキシ系接着剤241を用いて貼り合わせた後(図2(e))、ボディプレート202からSi基板270を引き離すことで、容易にニッケル電鋳膜201とSi基板270とを剥離することができ(図2(f))、Si基板270の除去後、ニッケル電鋳膜201がボディプレート202に接着剤241で固定された状態となっている。 Next, after the nickel electroformed film 201 on the Si substrate 270 is bonded to the groove forming surface of the body plate 202 produced previously using the epoxy adhesive 241 (FIG. 2E), the body plate 202 By separating the Si substrate 270, the nickel electroformed film 201 and the Si substrate 270 can be easily peeled off (FIG. 2 (f)). After the Si substrate 270 is removed, the nickel electroformed film 201 becomes the body plate 202. It is in a state of being fixed with an adhesive 241.
この後、ボディプレート202の吐出面側のSiO2膜243上にメルクジャパン社のEvaporation substance WR1(真空蒸着用撥水膜材料)を用いて撥液膜層228を形成し、圧力室224部分を被っているニッケル電鋳の薄板部分に厚さ50μmの圧電素子203を貼りつけて吐出ヘッド20Aを完成させた(図2(g))。 Thereafter, a liquid repellent film layer 228 is formed on the SiO 2 film 243 on the discharge surface side of the body plate 202 by using Evaporation Substrate WR1 (water repellent film material for vacuum deposition), and the pressure chamber 224 portion is formed. A piezoelectric element 203 having a thickness of 50 μm was attached to the covered thin plate portion of nickel electroforming to complete the ejection head 20A (FIG. 2G).
次に、吐出ヘッド20Aの圧電素子203及び帯電電極216を動作制御手段を含む静電電圧電源(静電電圧1.5kV)及び駆動電圧電源(駆動電圧20V)に接続して、この吐出ヘッド20Aの吐出面と対向電極との距離が1mmとなるように設定した。この後、吐出ヘッド20Aを約1ヶ月間動作させたところ、32個の吐出孔からのインク滴の吐出は、吐出されてないとか液量のムラがあるといった不具合は認められず、安定して動作することが確認できた。 Next, the piezoelectric element 203 and the charging electrode 216 of the ejection head 20A are connected to an electrostatic voltage power source (electrostatic voltage 1.5 kV) and a drive voltage power source (drive voltage 20 V) including operation control means, and the ejection head 20A. The distance between the discharge surface and the counter electrode was set to 1 mm. After that, when the ejection head 20A was operated for about one month, the ejection of the ink droplets from the 32 ejection holes was not observed, and there was no inconvenience that the liquid volume was uneven or the liquid amount was uneven. It was confirmed to work.
(実施例2)
図4に示す製造工程に沿って説明する。Siからなるボディプレート402には溝が形成されており(図4(1a))、この溝が形成されている面の反対面であるノズルの吐出孔413がある吐出面にTEOS(テトラエトキシシラン)処理により厚み約60μmのSiO2膜443を成膜した。また、帯電用電極416としてノズル410内周面及び圧力室底部にNiP膜をRFマグネトロンスパッタ法を用いて基板温度を300℃、高周波電力500W(周波数:13.56MHz)、アルゴン雰囲気中(0.667Pa)で、0.5μmの厚みに成膜した(図4(1b))。
(Example 2)
The manufacturing process shown in FIG. 4 will be described. Grooves are formed in the body plate 402 made of Si (FIG. 4 (1a)), and TEOS (tetraethoxysilane) is formed on the discharge surface having the nozzle discharge holes 413 opposite to the surface on which the grooves are formed. ) A SiO 2 film 443 having a thickness of about 60 μm was formed by the treatment. Further, a NiP film is used as the charging electrode 416 on the inner peripheral surface of the nozzle 410 and the bottom of the pressure chamber, using an RF magnetron sputtering method, the substrate temperature is 300 ° C., the high-frequency power is 500 W (frequency: 13.56 MHz), and the argon atmosphere (0. 667 Pa) to a thickness of 0.5 μm (FIG. 4 (1 b)).
次に別途用意したSi基板470(図4(2a))面に活性化処理を行わないでPt(白金)をマグネトロンスパッタ法で厚み約1μm成膜401した(図4(2b))。 Next, a Pt (platinum) film 401 having a thickness of about 1 μm was formed 401 on the surface of a separately prepared Si substrate 470 (FIG. 4 (2a)) by magnetron sputtering without performing an activation process (FIG. 4 (2b)).
次にPt膜401の接合面442およびボディプレート402の接合面443をバフ研磨を行い表面粗さをRa<10nmとした。その後、Pt膜を有するSi基板470とボディプレート402との位置関係を整えて両研磨面を接触させ全面に均一に2.94×104Paの圧力をかけた。予め行った接合実験を参考にして加圧開始から約10分経過したところでボディプレート402とPt膜401との分子間接合が完了したとした(図4(e))。 Next, the bonding surface 442 of the Pt film 401 and the bonding surface 443 of the body plate 402 were buffed so that the surface roughness was Ra <10 nm. Thereafter, the positional relationship between the Si substrate 470 having a Pt film and the body plate 402 was adjusted, both polished surfaces were brought into contact with each other, and a pressure of 2.94 × 10 4 Pa was uniformly applied to the entire surface. It was assumed that the intermolecular bonding between the body plate 402 and the Pt film 401 was completed when about 10 minutes had elapsed from the start of pressurization with reference to a bonding experiment conducted in advance (FIG. 4E).
次に、ボディプレート402からSi基板470を引き離すことで、容易にPt膜401とSi基板470とを剥離することができ(図4(f))、Si基板470の除去後、Pt膜401がボディプレート402に分子間力で固定された状態となっている(図4(f))。 Next, by separating the Si substrate 470 from the body plate 402, the Pt film 401 and the Si substrate 470 can be easily separated (FIG. 4F). After the Si substrate 470 is removed, the Pt film 401 is It is in a state of being fixed to the body plate 402 by intermolecular force (FIG. 4 (f)).
この後、ボディプレート402の吐出面側のSiO2膜443上にメルクジャパン社のEvaporation substance WR1(真空蒸着用撥水膜材料)を用いて撥液膜層428を形成し、圧力室424部分を被っているPt膜の薄板部分に厚さ50μmの圧電素子403を貼りつけて吐出ヘッド40Aを完成させた(図4(g))。 Thereafter, a liquid repellent film layer 428 is formed on the SiO 2 film 443 on the discharge surface side of the body plate 402 by using Evaporation Substrate WR1 (water repellent film material for vacuum deposition) of Merck Japan, and the pressure chamber 424 portion is formed. The piezoelectric element 403 having a thickness of 50 μm was attached to the thin plate portion of the Pt film covered, thereby completing the ejection head 40A (FIG. 4G).
次に、吐出ヘッド40Aの圧電素子403及び帯電電極416を動作制御手段を含む静電電圧電源(静電電圧1.5kV)及び駆動電圧電源(駆動電圧20V)に接続して、この吐出ヘッド40Aの吐出面と対向電極との距離が1mmとなるように設定した。この後、吐出ヘッド40Aを約1ヶ月間動作させたところ、32個の吐出孔からのインク滴の吐出は、吐出されてないとか液量のムラがあるといった不具合は認められず、安定して動作することが確認できた。 Next, the piezoelectric element 403 and the charging electrode 416 of the ejection head 40A are connected to an electrostatic voltage power source (electrostatic voltage 1.5 kV) and a drive voltage power source (drive voltage 20 V) including operation control means, and the ejection head 40A. The distance between the discharge surface and the counter electrode was set to 1 mm. After that, when the ejection head 40A was operated for about one month, the ink droplets from the 32 ejection holes were not ejected, and there were no problems such as unevenness in the liquid amount. It was confirmed to work.
(実施例3)
本実施例は、Si基板270に設ける薄膜201がポリイミド樹脂である以外は図2に沿って説明した実施例1と同じ製造工程であるため、図2に沿って説明する。
(Example 3)
Since this embodiment is the same manufacturing process as Example 1 described along FIG. 2 except that the thin film 201 provided on the Si substrate 270 is a polyimide resin, it will be described along FIG.
Siからなるボディプレート202には溝が形成されており(図2(1a))、この溝が形成されている面の反対面であるノズル210の吐出孔213がある吐出面にTEOS(テトラエトキシシラン)処理により厚み約60μmのSiO2膜243を成膜した。また、帯電用電極216としてノズル210内周面及び圧力室底部にNiP膜をRFマグネトロンスパッタ法を用いて基板温度を300℃、高周波電力500W(周波数:13.56MHz)、アルゴン雰囲気中(0.667Pa)で、0.5μmの厚みに成膜した(図2(1b))。 A groove is formed in the body plate 202 made of Si (FIG. 2 (1a)), and TEOS (tetraethoxy) is formed on the discharge surface where the discharge hole 213 of the nozzle 210 is opposite to the surface where the groove is formed. A SiO 2 film 243 having a thickness of about 60 μm was formed by silane treatment. Further, a NiP film is used as the charging electrode 216 on the inner peripheral surface of the nozzle 210 and the bottom of the pressure chamber by using the RF magnetron sputtering method, the substrate temperature is 300 ° C., the high frequency power is 500 W (frequency: 13.56 MHz), and the atmosphere is argon (0. 667 Pa), a film having a thickness of 0.5 μm was formed (FIG. 2 (1 b)).
次に別途用意したSi基板270面に活性化処理を行わないでスピンコート法でポリイミド樹脂を厚さ3μm塗布した(図2(2b))。 Next, 3 μm of polyimide resin was applied to the surface of the separately prepared Si substrate 270 by spin coating without performing activation treatment (FIG. 2 (2 b)).
次に、先に作製したボディプレート202の溝形成面にSi基板270上のポリイミド樹脂膜201をエポキシ系接着剤241を用いて貼り合わせた後(図2(e))、ボディプレート202からSi基板270を引き離すことで、容易にポリイミド膜201とSi基板270とを剥離することができ(図2(f))、Si基板270の除去後、ポリイミド膜201がボディプレート202に接着剤で固定された状態となっている(図2(f))。 Next, after the polyimide resin film 201 on the Si substrate 270 is bonded to the groove forming surface of the body plate 202 produced previously using the epoxy adhesive 241 (FIG. 2 (e)), the Si from the body plate 202 to the Si By separating the substrate 270, the polyimide film 201 and the Si substrate 270 can be easily peeled off (FIG. 2F), and after the Si substrate 270 is removed, the polyimide film 201 is fixed to the body plate 202 with an adhesive. (Fig. 2 (f)).
この後、ボディプレート202の吐出面側のSiO2膜243上にメルクジャパン社のEvaporation substance WR1(真空蒸着用撥水膜材料)を用いて撥液膜層228を形成し、圧力室224部分を被っているニッケル電鋳の薄板部分に厚さ50μmの圧電素子203’を貼りつけて吐出ヘッド20Aを完成させた(図2(g))。 Thereafter, a liquid repellent film layer 228 is formed on the SiO 2 film 243 on the discharge surface side of the body plate 202 by using Evaporation Substrate WR1 (water repellent film material for vacuum deposition), and the pressure chamber 224 portion is formed. A piezoelectric element 203 ′ having a thickness of 50 μm was attached to the covered nickel electroformed thin plate portion to complete the ejection head 20A (FIG. 2G).
次に、吐出ヘッド20Aの圧電素子203及び帯電電極216を動作制御手段を含む静電電圧電源(静電電圧1.5kV)及び駆動電圧電源(駆動電圧20V)に接続して、この吐出ヘッド20Aの吐出面と対向電極との距離が1mmとなるように設定した。この後、吐出ヘッド20Aを約1ヶ月間動作させたところ、32個の吐出孔からのインク滴の吐出は、吐出されてないとか液量のムラがあるといった不具合は認められず、安定して動作することが確認できた。 Next, the piezoelectric element 203 and the charging electrode 216 of the ejection head 20A are connected to an electrostatic voltage power source (electrostatic voltage 1.5 kV) and a drive voltage power source (drive voltage 20 V) including operation control means, and the ejection head 20A. The distance between the discharge surface and the counter electrode was set to 1 mm. After that, when the ejection head 20A was operated for about one month, the ejection of the ink droplets from the 32 ejection holes was not observed, and there was no inconvenience that the liquid volume was uneven or the liquid amount was uneven. It was confirmed to work.
213、13 吐出孔
210、10 ノズル
216、16 帯電用電極
202、2 ボディプレート
243、43 SiO2膜
224、24 圧力室(溝)
270 保持基板
201、1 薄板(膜)
241 接着剤
203、22 ピエゾ素子
228、28 撥液層
20A、A 液体吐出ヘッド
S 液体吐出装置
3 対向電極
E 動作制御手段
63 静電電圧電源
61 駆動電圧電源
L 液体
D 液滴
K 基材
213, 13 Discharge hole 210, 10 Nozzle 216, 16 Charging electrode 202, 2 Body plate 243, 43 SiO 2 film 224, 24 Pressure chamber (groove)
270 Holding substrate 201, 1 Thin plate (film)
241 Adhesive 203, 22 Piezo element 228, 28 Liquid repellent layer 20A, A Liquid discharge head S Liquid discharge device 3 Counter electrode E Operation control means 63 Electrostatic voltage power supply 61 Drive voltage power supply L Liquid D Droplet K Base material
Claims (13)
前記ノズルに連通する圧力室となる圧力室溝と、
前記圧力室溝を被う振動板と、
前記振動板の前記圧力室溝側と反対側の面に電気機械変換素子を有している液体吐出ヘッドの製造方法において、
表面形状が鏡面形状とされた保持基板の前記鏡面上に接して前記振動板となる膜を形成する膜形成工程と、
前記圧力室溝が形成されているボディプレートの前記圧力室溝が形成されている面と前記保持基板上の前記膜が形成されている面とを接合する接合工程と、
前記膜と前記保持基板とを引き離すことで前記膜から前記保持基板を剥がして分離して該保持基板を除去する除去工程とを有し、
前記保持基板が除去された後の前記膜上に前記電気機械変換素子を設けることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 A nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole;
A pressure chamber groove serving as a pressure chamber communicating with the nozzle;
A diaphragm covering the pressure chamber groove;
In the method of manufacturing a liquid ejection head having an electromechanical conversion element on the surface opposite to the pressure chamber groove side of the diaphragm,
A film forming step of the surface shape to form a film serving as the diaphragm in contact on the mirror surface of the holding substrate which is a mirror shape,
A bonding step of bonding a surface of the body plate in which the pressure chamber groove is formed with the surface on which the pressure chamber groove is formed and a surface on which the film on the holding substrate is formed;
Separated by peeling the supporting substrate from the film by separating the said holding substrate and the film have a a removal step of removing the holding substrate,
A method of manufacturing a liquid discharge head , comprising: providing the electromechanical conversion element on the film after the holding substrate is removed .
前記接合工程は、前記金属膜と前記ボディプレートの前記圧力室溝が形成されている面との接合面のそれぞれにバフ研磨を行って表面粗さをRa<10nmとした後に、前記ボディプレートと前記保持基板との両研磨面を接触させて圧力をかけることにより両者を分子間接合することを特徴とする請求項1記載の液体吐出ヘッドの製造方法。The bonding step includes buffing each of the bonding surfaces of the metal film and the surface of the body plate where the pressure chamber grooves are formed to make the surface roughness Ra <10 nm. The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 1, wherein both polishing surfaces of the holding substrate are brought into contact with each other and pressure is applied to bond the two to each other.
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